古尔班通古特沙漠蜂窝状沙丘沉积物理化特征及沉积环境

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00106

古尔班通古特沙漠蜂窝状沙丘沉积物理化特征及沉积环境

高冲^,¹, 董治宝^,¹, 南维鸽¹, 刘铮瑶¹^,², 朱春鸣¹, 王晓枝¹, 肖南³, 张欣¹

1.陕西师范大学地理科学与旅游学院，陕西西安 710119

2.陕西省地质调查院陕西省地质环境监测总站，陕西西安 710054

3.内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古呼和浩特 010022

Physicochemical characteristics and sedimentary environment of honeycomb dunes in Gurbantunggut Desert

Gao Chong^,¹, Dong Zhibao^,¹, Nan Weige¹, Liu Zhengyao¹^,², Zhu Chunming¹, Wang Xiaozhi¹, Xiao Nan³, Zhang Xin¹

1.School of Geography and Tourism，Shaanxi Normal University，Xi’an 710119，China

2.Shaanxi Institute of Geo-Environment Monitoring，Shaanxi Institute of Geological Survey，Xi’an 710054，China

3.College of Geographical Sciences，Inner Mongolia Normal University，Hohhot 010022，China

通讯作者: 董治宝（E-mail： zbdong@snnu.edu.cn）

收稿日期: 2021-07-01 修回日期: 2021-08-13

基金资助:

国家自然科学基金项目. 41930641. 41871008
第二次青藏高原综合科学考察研究. 2019QZKK0403

Received: 2021-07-01 Revised: 2021-08-13

作者简介 About authors

高冲（1998—），男，陕西西安人，硕士研究生，研究方向为风沙地貌E-mail：1021789455@qq.com , E-mail：1021789455@qq.com

摘要

采样分析了古尔班通古特沙漠蜂窝状沙丘表层沉积物的粒度、元素和微形态特征，讨论了其沉积环境。结果表明：（1）古尔班通古特沙漠蜂窝状沙丘表层沉积物以细沙为主；与上部陆壳平均化学组成（UCC）比，常量元素产生亏损，微量元素Co富集明显；化学蚀变指数（CIA）与上部陆壳平均值接近；石英沙颗粒磨圆度适中，微形态特征以碟形坑与不规则撞击坑为主。（2）古尔班通古特沙漠东北部蜂窝状沙丘表层沉积物平均粒径最大，分选性最差，常量元素亏损严重，微形态特征最为复杂；西部CIA值最小。平均粒径从迎风坡坡脚到坡顶增大，在背风坡变小；元素与微形态特征无明显差异。（3）沉积物理化特征说明古尔班通古特沙漠处于大陆风化的早期阶段，干旱的气候条件使沙丘表层组成物质缺乏有效的化学风化，沉积环境复杂，以风成机械作用为主导。

关键词： 蜂窝状沙丘 ; 沉积物 ; 粒度 ; 地球化学元素 ; 微形态

Abstract

In this paper， the characteristics of grain size， elements and Micromorphology of surface sediments of honeycomb dunes in Gurbantunggut Desert are sampled and analyzed， and its sedimentary environment is discussed. The results show that：（1） The surface sediments of honeycomb dunes in Gurbantunggut Desert are mainly fine sand； The major elements are depleted， and the trace element Co is enriched obviously； The chemical alteration index （CIA） is close to the average value of the upper continental crust； The roundness of quartz sand particles is moderate， and the micro morphological characteristics are mainly dished pits and irregular impact pits. （2） The northeast of the study area has the largest average particle size and the worst sorting performance； Serious loss of major elements； The micromorphological characteristics are the most complex； The CIA value in the west of the study area is the lowest. The average particle size increases from the toe of the windward slope to the top of the slope and decreases on the leeward slope； There was no significant difference between elements and micro morphological characteristics. （3） The sedimentary physicochemical characteristics show that the desert is in the early stage of continental weathering. The arid climate conditions make the surface components of sand dunes lack effective chemical weathering， and the sedimentary environment is complex， dominated by aeolian machinery.

Keywords： honeycomb dunes ; sediment ; grain size ; geochemical elements ; micromorphology

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本文引用格式

高冲, 董治宝, 南维鸽, 刘铮瑶, 朱春鸣, 王晓枝, 肖南, 张欣. 古尔班通古特沙漠蜂窝状沙丘沉积物理化特征及沉积环境. 中国沙漠[J], 2022, 42(2): 14-24 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00106

Gao Chong, Dong Zhibao, Nan Weige, Liu Zhengyao, Zhu Chunming, Wang Xiaozhi, Xiao Nan, Zhang Xin. Physicochemical characteristics and sedimentary environment of honeycomb dunes in Gurbantunggut Desert. Journal of Desert Research[J], 2022, 42(2): 14-24 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00106

0 引言

沙丘是由气流性质、地表性质等改变产生的风成沉积物的一种堆积体，是高度0.1—100 m的风积地貌，主要分布在干旱、半干旱地区^［1-3］。沙丘表面沉积物是现代沙漠环境特征的重要信息载体^［1］。沉积物粒度特征可以体现风力对沙源物质的搬运、分选作用^［4-5］，并反映沙源物质的组成特征^［5-7］，是判定沙丘沉积环境的重要依据^［8］。沉积物地球化学元素分异特征可以反映物质来源、沉积过程、古环境变化等方面的重要信息^［9］。沉积物中石英沙分布广泛、硬度较大且化学性质稳定^［10］，在不同沉积环境中受到不同的机械磨蚀、化学溶解-沉淀作用，从而在表面留下不同的微形态特征^［11］。因此，依据石英沙表面微形态特征也可以判别沉积物的物质来源、搬运机制和沉积环境^［12-13］。

20世纪50年代以来，学者们对古尔班通古特沙漠做了一系列的考察和研究。其中有关沉积物的研究包括沙丘表层沉积物粒径^［14］，沙漠南部平直树枝状沙丘形态^［15］，固定、半固定沙丘剖面^［16］，沙垄的侵蚀和堆积^［17］，石英沙颗粒、沉积物元素的空间、深度差异^［18］等。动植物研究包括新疆子午沙鼠的发现^［19］，东北部牧场鼠害的调查^［20］，大沙鼠破坏问题防治策略的提出^［21］，植物群落、区系及分布特征的分析^［22］，荒漠植被恢复和发展的调查^［23］，植物成活和生长情况的影响因子^［24］等。另外，随着地质勘探工程发现准噶尔盆地地下藏储丰富的石油、天然气资源^［25］，供水和输油管道铺设的研究也随之开展^［26-27］。然而，学者们对古尔班通古特沙漠蜂窝状沙丘沉积物理化特征研究甚少。同时，古尔班通古特沙漠作为中国最大的固定、半固定沙漠^［28］依旧处于一个脆弱易损的状态中。因此，采集了古尔班通古特沙漠蜂窝状沙丘表层沉积物的样品，研究样品粒度、元素和微形态特征，揭示其指示的沉积环境，旨在丰富蜂窝状沙丘表层沉积物的研究内容以及西北干旱区环境形成与演变的研究内容，并为防止固定、半固定沙丘活化提供科学参考与理论支持。

1 研究区概况及研究方法

1.1　研究区概况

古尔班通古特沙漠（44°11′—46°20′N，84°31′—90°00′E）面积51 130 km²，海拔450—600 m，位于中国西北部的准噶尔盆地（图1）。沙漠内部沙丘形态主要为纵向和对称状沙垄，垄间和各坡的植被、生物结皮覆盖较好，地表呈现固定状态；沙丘和沙垄顶部、两坡上部基本裸露，长时间尺度下表现出摆动特征，呈半固定状态^［29-30］。沙丘在沉积过程中受西风环流的影响远大于东亚季风，冬季北部的蒙古-西伯利亚高气压也起到了重要作用。全年主导风向为西北风，多年平均风速2.0 m·s^-1，最大风速为16 m·s^{-1 ［31］}，年降水量50—150 mm，集中在5—9月，降水量和湿度指数由沙漠边缘向中心减少^［32］。春季回暖时，冬、春两季积雪融水垂直入渗，大量植被生长，其中包括了乔、灌、一年生草本植物和多年生草本植物^［33］，丰富的植被生长使有机物与土壤颗粒紧密结合，形成广泛分布的生物结皮，部分地区厚度可达2 cm^［34］。

图1

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图1 研究区地理位置及采样点分布

Fig.1 Geographic location of sampling sand dunes in the study area

在额尔齐斯河谷进入准噶尔盆地的西北风、蒙古-西伯利亚高气压下形成的东北风、阿拉山口经艾比湖谷地汇入的西风以及南部天山地方性风系南风的共同影响下，沙漠主体南部、西南部及西南延伸处形成了由无数小的漩涡组成的涡动抑制区域，进而形成了中间低、四周呈沙堤高起的蜂窝状沙丘地形。不同方向的风相遇之后，往往会沿着合力方向前行。因此，蜂窝状沙丘上仍然可以看到明显的迎风坡与背风坡^［18］。

1.2　研究方法

对古尔班通古特沙漠11个蜂窝状沙丘表层沉积物进行样品采集，采样沙丘依次记作F01、F02、F03、F04、F05、F06、F07、F08、F09、F10、F11（图1）。参考Lancaster^［35］在纳米布沙漠的采样方法，分别在每个沙丘迎风坡坡脚、迎风坡坡中、坡顶、背风坡坡中、背风坡坡脚5个部位（图2）均匀采集面积0.2 m×0.2 m、深度0—1 cm、质量500—1 000 g的样品，共55个。对采集样品的粒度、元素和扫描电镜分析分别在陕西师范大学激光粒度分析实验室、X射线荧光光谱仪实验室和扫描电镜实验室完成，采用的仪器分别为Mastersi-zer2000激光粒度仪、PW2403X-Ray荧光光谱仪和TM3000日立台式电子显微镜。

图2

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图2 采样点位置示意图

Fig.2 Schematic diagram of sampling point location

样品粒度分析实验前处理步骤：①用2 000 μm不锈钢筛对沉积物样品筛除，剔除草根、粪便等杂质；②使用精度为0.001 g的电子秤称取样品5 g放入烧杯，加入浓度为10%的10 mL H₂O₂溶液，放在200 ℃电加热板上加速反应，反应至无明显气泡出现为止；③取出烧杯冷却后加入浓度为10%的HCl除去样品中的碳酸盐类，再次加热至无明显气泡冒出且溶液澄清为止；④取下烧杯注满蒸馏水，静置至颗粒充分沉淀，用皮胶管抽取上层清液，加入10 mL浓度0.05 mol·L^-1的（NaPO₃）₆溶液摇匀待测。

元素分析实验前处理步骤：①把自然风干的样品放入振动磨机器内磨细至200目；②在精度为0.001 g的天平秤上称取磨细样品4—5 g，用硼酸镶边垫底，并在YY-60型半自动压样机内压成镶边外径为32 mm的样片，放入干燥器中待测。

扫描电镜实验前处理步骤：①取样品过孔径为2 Φ的不锈钢筛后用精度为0.001 g的电子秤称5 g备用；②放入500 mL的烧杯中加入浓度为30%的HCl溶液，放置于200 ℃的加热板上煮沸至充分反应；③将2.5%浓度的SnO溶液注入烧杯中至充分反应，然后将样品清洗并烘干；④从烘干后的样品中挑选15—20颗石英沙，用导电胶将石英沙颗粒固定在金属托上，放入标准真空镀膜机中镀金粉后即可^［1］。

2 结果

2.1　沉积物粒度特征

2.1.1　粒级组成

沙粒粒级百分含量可以直观反映沉积物粒级组成以及不同粒径组沙粒的相对含量^［36］。样品粒级分布在中粉沙到极粗沙之间，细沙含量最大（均值45.55%），其次是中沙（均值27.92%）与极细沙（均值15.32%），粗沙均值6.57%，极粗沙均值1.46%，粗粉沙均值0.83%，中粉沙均值2.35%（图3）。研究区西部细沙含量（50.13%）远高于东部（37.52%），东部粗沙含量较高（12.70%）；东北部粗沙含量（22.54%）远高于西部与东南部，细沙含量仅为28.89%。

图3

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图3 沙丘不同部位沙粒级配

Fig.3 Grain size distribution for different positions of sand dunes

迎风坡坡脚中粉沙、粗粉沙、极粗沙含量高于背风坡坡脚，其余粒径组沙粒含量低于背风坡坡脚，各粒级组沙粒含量相差均不超过1%；迎风坡坡中细沙和中沙含量低于背风坡坡中，其余粒径组沙粒含量均高于背风坡坡中，除细沙相差3.55%外，其余粒级组沙粒含量相差同样不超过1%；坡顶中粉沙、粗粉沙、极细沙含量低于沙丘其余部位，中沙、粗沙、极粗沙含量却高于其余部位，细沙比背风坡坡中低。

2.1.2　粒度参数

为了更好地反映沙丘粒度特征与沉积环境的关系，引用沉积物粒度参数平均粒径（M_z）、分选系数（σ）、偏度（SK）和峰度（K_g）。平均粒径代表粒度分布的集中趋势，也体现沉积物搬运介质的平均动能，另外平均粒径会受源区物质组成影响；分选系数反映了沙粒粒径分散程度，常用于分析沉积环境的动力条件；偏度和峰度分别反映粒度分布的对称性和峰凸程度^［2］，依据Folk-Ward粒度参数分级标准^［37］对其划分。

样品平均粒径1.19—3.02 Φ，平均值为2.24 Φ；分选性介于分选很好至分选较差之间（0.44—1.44）；偏度介于极负偏到极正偏之间（-0.20—0.32）；峰度介于宽至很窄之间（0.70—1.72）。研究区西部平均粒径（2.33 Φ）小于东部（2.07 Φ），分选性（0.71）比东部（0.96）好；东北部平均粒径最大（1.77 Φ），分选较差；东南部平均粒级最小（2.38 Φ）；偏度和峰度无明显差异，处于近对称（-0.1—0.1）和中等（0.9—1.11）。坡顶平均粒级最大（2.03 Φ），分选性最好（0.65）；迎风坡坡中与背风坡坡中相比平均粒径大，分选性差，偏向正偏，峰度窄；坡脚各参数分布状况与坡中相似，对应平均粒径小于坡中，且分选性最差（图4）。

图4

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图4 沙丘不同部位粒度参数

Fig.4 Particle size parameters for different positions of sand dunes

2.1.3　沉积环境

单纯依据样品粒度参数的变化难以准确判定古尔班通古特沙漠的沉积环境，但可以初步反映出沙漠在历史进程中所经历的沉积过程。依据Sahu^［38］的线性多元判别方法对沙丘沉积物进行计算，得到采样沙丘的沉积环境包括风成沉积、浅海沉积、河流沉积、浊流沉积4类。其中风成沉积分布最广，占50.91%，其余3种沉积环境占比分别是浊流沉积18.18%、浅海沉积16.36%、河流沉积14.55%。

2.2　沉积物元素特征

2.2.1　常量元素特征

在地球化学环境条件下，沉积物中的常量地球化学元素通常以氧化物的形式存在^［39］。由表1可知，样品常量元素组成均以SiO₂和Al₂O₃为主，SiO₂平均含量63.63%，Al₂O₃含量7.58%。研究区东北部的SiO₂含量大于东南部与西部，分别是68.70%、62.72%和62.45%，但Al₂O₃的含量（6.24%）低于东南部（7.52%）和西部（7.98%）。

表1 沙丘沉积物常量元素含量 (%)

Table 1 Major element content of sediment of sand dunes

元素	迎风坡坡脚		迎风坡坡中		坡顶		背风坡坡中		背风坡坡脚
元素	平均值	标准差	平均值	标准差	平均值	标准差	平均值	标准差	平均值	标准差
SiO₂	63.53	4.23	63.79	4.46	65.47	6.17	62.78	2.30	62.59	2.96
Al₂O₃	7.45	1.17	7.84	1.09	7.13	1.41	7.59	0.85	7.89	0.85
K₂O	2.06	0.35	2.02	0.24	1.95	0.37	2.00	0.30	2.03	0.26
Na₂O	1.94	0.38	2.11	0.36	2.01	0.51	2.08	0.29	2.12	0.32
CaO	1.89	0.58	1.88	0.62	1.57	0.50	1.71	0.40	1.86	0.47
Fe₂O₃	1.72	0.63	1.78	0.63	1.60	0.71	1.68	0.55	1.77	0.55
MgO	0.85	0.33	0.90	0.35	0.68	0.35	0.83	0.27	0.90	0.28
TiO₂	0.19	0.06	0.19	0.05	0.18	0.07	0.18	0.05	0.19	0.05
P₂O₅	0.10	0.02	0.10	0.02	0.08	0.02	0.10	0.01	0.10	0.01
MnO	0.05	0.01	0.04	0.01	0.05	0.02	0.04	0.01	0.04	0.01

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坡顶SiO₂含量最高（65.47%），背风坡坡脚Al₂O₃含量最高（7.89%）。SiO₂含量从迎风坡坡脚到坡顶增加，在背风坡减小，同时背风坡SiO₂含量低于迎风坡；迎风坡坡脚K₂O含量最高（2.06%），各部位含量变化趋势与SiO₂相反，与CaO含量变化趋势一致；背风坡坡脚Na₂O含量最高（2.12%），与迎风坡坡中Na₂O相近；迎风坡坡中Fe₂O₃含量最高（1.78%），与背风坡坡脚Fe₂O₃相近，坡顶含量最低；样品中MgO、TiO₂、P₂O₅、MnO的含量均低于1%，迎风坡坡中与背风坡坡脚MgO含量最高（0.90%），TiO₂、P₂O₅、MnO各部位含量相差小于0.02%，坡顶MgO、TiO₂、P₂O₅ 3种氧化物含量最低，分别是0.68%、0.18%、0.08%。

2.2.2　微量元素特征

统计的微量元素包括Ba、Sr、Zr、Rb、V、Cr、Co、Zn、Y、Pb、La、Ni、Cu、Nb、Th，共15种。微量元素与常量元素特征相似，不同采样地点主要成分相同，但含量差异更明显（表2）。样品微量元素组成以Ba、Sr、Zr、Rb元素为主，平均值分别是346.42、138.08、113.81、62.48 μg·g^-1，其余微量元素含量均低于50 μg·g^-1。研究区西部Ba、Sr、Zr、Rb、V、Cr、Zn、Y、La、Ni、Cu、Nb、Th元素均高于东北部与东南部，Co元素东北部显著高于西部与东南部，Pb元素东南部略高于西部与东北部。

表2 沙丘沉积物微量元素含量 (μg·g^-1)

Table 2 Trace element content of sediment of sand dunes

元素	迎风坡坡脚		迎风坡坡中		坡顶		背风坡坡中		背风坡坡脚
元素	平均值	标准差	平均值	标准差	平均值	标准差	平均值	标准差	平均值	标准差
Ba	361.68	73.02	347.45	79.27	339.14	101.08	343.50	80.36	340.31	74.58
Sr	137.58	34.57	141.49	33.97	129.77	41.66	138.33	30.41	143.25	28.94
Zr	116.78	30.73	123.00	24.55	105.75	35.86	103.25	19.87	120.26	21.99
Rb	63.29	9.64	62.79	7.21	59.65	8.88	62.97	7.24	63.72	6.64
V	35.73	11.67	36.62	11.82	33.15	14.84	34.00	10.08	36.03	11.07
Cr	34.53	21.07	34.58	20.22	33.95	29.31	32.53	19.29	29.97	23.73
Co	23.37	21.53	27.53	23.45	41.41	30.12	25.00	15.98	25.65	16.22
Zn	21.40	9.70	22.02	9.60	18.55	10.28	20.85	7.91	22.34	8.13
Y	14.11	2.51	14.54	2.57	13.43	2.60	13.53	2.01	14.24	2.25
Pb	14.10	2.36	14.77	2.12	13.76	2.21	13.97	2.15	14.29	1.70
La	11.15	3.87	13.84	4.58	9.96	3.00	10.85	4.19	10.71	3.24
Ni	7.21	2.95	7.72	2.85	6.55	2.88	6.94	2.34	7.66	2.50
Cu	6.95	3.64	7.00	3.62	5.95	4.11	6.29	3.44	6.82	3.45
Nb	4.75	1.34	4.59	0.93	4.47	1.48	3.98	0.99	4.46	0.87
Th	1.47	1.59	1.42	1.47	1.24	0.98	1.08	0.68	1.69	1.66

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迎风坡坡脚的Ba元素含量最高（361.68 μg·g^-1）；背风坡坡脚的Sr、Rb两种元素含量最高，分别为143.25 μg·g^-1和63.72 μg·g^-1；迎风坡坡中Zr元素含量最高（123.00 μg·g^-1）。均值低于50 μg·g^-1的元素中，Cr、Y、Pb、La、Ni、Cu等6种元素迎风坡坡中含量最高，Co元素在坡顶含量最高，Zn、Th两种元素在背风坡坡脚含量最高，Nb元素在迎风坡坡脚含量最高。

2.2.3　地球化学元素UCC标准化

样品沉积物地球化学元素经与上部陆壳平均化学组成（UCC）标准化无量纲处理后，可更好地反映组成元素的迁移规律^［40］。常量元素方面：样品与上部陆壳相比均产生了亏损，SiO₂平均值0.96接近1，MnO平均值0.74，Al₂O₃、K₂O、Na₂O平均值分别为0.50、0.59、0.53，其余元素均小于0.5。研究区东北部SiO₂含量最大（1.04），产生富集，其余元素均亏损且含量最小；西部Al、K、Na、Ca、Fe、Mg、Ti、P、Mn元素含量最高；东南部SiO₂、P₂O₅含量与西部相同。坡顶SiO₂含量最高为0.99，相较于其余部位亏损最少，其余元素除MnO外均亏损较大，其中P₂O₅含量亏损最大；迎风坡与背风坡状况相似（图5）。

图5

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图5 沙丘不同部位沉积物地球化学元素UCC标准化

Fig.5 UCC-standardization of geochemical elements for different positions of sand dunes

微量元素方面：与上部陆壳相比Co元素有明显的富集（2.86），其余元素均产生了亏损，其中Cr、Pb分别为0.95和0.71，Ba、Zr、Rb、V、Y元素分别为0.63、0.60、0.56、0.59、0.63，其余元素均低于0.5，亏损较大。研究区东北部Co含量（5.63）远大于东南部和西部；东南部Pb含量略大于西部和东南部；其余13种元素西部均大于东南部大于东北部。坡顶Co元素含量富集显著。与常量元素一样，微量元素在沙丘各个部位并无显著迁徙规律（图5）。

2.2.4　化学风化特征

2.2.4.1　化学蚀变指数

Nesbitt等^［41-42］提出用化学蚀变指数CIA表征物质风化程度。于是，CIA被广泛应用于定量判断沉积物在发生沉积过程时的气候环境以及化学风化程度^［43］。沉积物的风化强度与CIA值呈正比关系，当CIA值为50—65时，风化程度表征为寒冷、干燥高纬度气候条件下偏低级的化学风化；当CIA值为65—85时，风化程度表征为温暖、湿润中纬度气候条件下偏中级的化学风化；当CIA值为85—100时，风化程度表征为炎热、潮湿的热带亚热带气候条件下的强烈的化学风化^［2］。

样品CIA值为45.50—50.29，平均47.63与上部陆壳（48.04）接近，远低于中国黄土（61.93）和陆源页岩（70.36）。研究区西部CIA值（47.38）小于东部，东北部CIA值（48.55）小于东南部（49.27），说明研究区西部经历的化学风化程度小于东部，同时东北部略小于东南部。迎风坡坡脚CIA值为45.50—49.78，平均47.39；迎风坡坡中CIA值为45.63—50.29，平均47.99；坡顶CIA值为45.73—49.17，平均47.31；背风坡坡中CIA值为46.06—50.28，平均47.64；背风坡坡脚CIA值为45.91—50.07，平均47.81。

2.2.4.2　A-CN-K及A-CNK-FM图

A-CN-K图用于预测地表过程中陆地风化趋势^［44］，是依据质量平衡原理通过长石淋溶实验和矿物稳定性热力学计算综合得出的^［9］，被运用于陆壳化学风化趋势的判断和直观反映化学风化过程中沉积物矿物学、主成分的变化^［45］。大陆风化早期以斜长石风化为标志，中期以钾长石、伊利石为标志，晚期以高岭石-三水铝石-石英-铁氧化物组成为特征^［45］。研究区西部Al₂O₃摩尔含量（46.80%）低于东北部（48.2%）、东南部（49.31%），而西部CaO+Na₂O、K₂O的摩尔含量（45.49%、16.39%）高于东北部与东南部（图6）。沙丘各部位同元素间差距小于1%。

图6

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图6 沙丘不同部位沉积物A-CN-K及A-CNK-FM三角图（长实箭头表示大陆风化趋势；Ka=高岭石、Sm=蒙脱石、PI=斜长石、Ep=绿帘石、IL=伊利石、Mu=白云母、Bi=黑云母、Ks=钾长石、Fls=长石）

Fig.6 A-CN-K and A-CNK-FM ternary plots of sediments for different positions of sand dunes （The long solid arrows represent the weathering direction of the continent； Ka=kaokin、Sm=smectites、PI=plagioclase、Ep=epidote、IL=illite、Mu=Muscovite、Bi=biotite、Ks=K-feldspar、Fls=feldspar）

A-CN-K图利用Al元素和碱金属元素含量的变化表征化学风化程度及矿物变化，但是无法反映其他金属元素风化过程和迁移特征。A-CNK-FM图则可反映Fe、Mg元素组成差异，进一步表征沉积物风化过程中元素的迁移特征与富集过程。研究区西部Fe₂O₃+MgO摩尔含量（32.31%）远高于东北部与东南部（11.99%、7.94%）。沙丘各部位同元素间差距小于1%（图6）。

2.3　沉积物表面微形态 2.3.1　磨圆度

石英沙的磨圆度对颗粒搬运动力和搬运距离、沉积环境有一定指示意义，磨圆度好的石英颗粒一般经历了长距离的搬运或较强水动力的作用，而棱角状的颗粒则一般经历了较短的搬运路程或较弱水动力的作用，或者是经历了冰川作用等^［13］。依据鲍威尔的圆度等级划分原则^［12］将沙丘石英沙样品简单划分为圆状、次圆状、次棱角状和棱角状4个圆度等级。

对样品沉积物颗粒扫描电镜观察发现，圆状、次圆状、次棱角状和棱角状颗粒分别占6.02%、47.22%、40.28%、6.48%，颗粒磨圆度适中，次圆状、次棱角状较多。研究区东北部圆状10.71%、次圆状57.14%、次棱角状26.19%，磨圆度较好；西部圆状1.19%、次圆状41.67%、次棱角状50.00%；东南部圆状6.25%、次圆状39.58%、次棱角状47.92%。就沙丘各部位而言，坡顶磨圆度最好，其次是迎风坡，背风坡最差。坡顶圆状（14.58%）远大于迎风坡（3.70%）和背风坡（3.33%）；同时，坡顶次圆状（47.92%）略小于迎风坡（52.78%），远大于背风坡（36.67%）；背风坡次棱角状51.67%。

2.3.2　机械特征成因

石英颗粒在不同的沉积过程中，呈现不同的特征标志，这些标志是搬运动力类型的主要依据，从而用来还原搬运过程和作用力强度^［12］。

气候干旱、风速强劲使得磨圆度较好的石英颗粒在风力搬运过程中撞击到较大颗粒表面会形成碟形坑（图7A）；同时，石英沙颗粒在落地时对静止颗粒冲击力作用部位、方向和大小的不同使得一些颗粒表面会留有各种不规则撞击坑（图7F）；当多个坑或断口相交后就形成了蛇曲脊（图7A），蛇曲脊凸起在石英沙颗粒上，相对尖锐，对再次的撞击起重要作用；另一种干旱风成环境下的呈新月状的凹坑被称作新月形撞击坑；当磨圆度较好的颗粒受到大量粒径小的沉积物机械撞击，会形成众多表征沙漠沉积环境的麻坑（图7C）；龟裂状片裂纹（图7E）在强烈风化作用和巨大温差交替等因素影响下在干旱沙漠环境中形成；直撞击沟多在水体环境中由尖锐棱角介质受到高速流体动能撞击或者刮擦形成；V形坑同样是流水环境的重要代表（图7B）；痕迹较浅的直线型创伤为擦痕（图7D），是冰川运动获得强大的剪切势能形成的。

图7

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图7 石英沙颗粒表面形态特征

Fig.7 Surface morphological characteristics of quartz sand particles

2.3.3　化学特征成因

石英沙颗粒表面出现次生硅质特征是化学作用强烈的主要标志，一般形成硅质球，硅质鳞片和硅质沉淀等，夏季高温、冬季寒冷以及长时间降雪覆盖使得蜂窝状沙丘沉积物中记录了丰富的化学沉积特征。化学沉积初期，SiO₂物质溶蚀、沉淀形成圆球形或近圆球形（图G）；随着化学反应时间变长、反应强度加剧，大量的硅质球聚集在一起形成硅质鳞片（图H）；当化学反应迅猛，会溶蚀出大量次生硅物质沉淀成一定规模的不定形态，即为硅质沉淀（图I）。

从表3可以看出，样品机械特征平均面积占比为38.16%，其中蝶形坑和不规则撞击坑占机械特征面积的62.70%，直撞击坑、V形坑、擦痕均有出现；化学特征面积平均占比为2.99%，硅质球、硅质鳞片和硅沉淀特征均有出现。研究区东北部风成机械特征面积占比远小于西部与东南部，化学特征面积占比远高于西部与东南部；冰川作用下形成的擦痕只存在于东北部。单个沙丘迎风坡、坡顶、背风坡机械、化学特征面积占比相差不大，没有明显差异。

表3 沙丘不同部位石英颗粒表面微形态特征概率 (%)

Table 3 Probability of surface morphology of quartz particles for different positions of sand dunes

沉积环境	特征标志	迎风坡	坡顶	背风坡
机械作用	蝶形坑和蛇曲脊	11.12	16.29	18.70
	麻坑	7.78	10.83	2.10
	V形坑	0.96	1.33	2.44
	新月形撞击坑	1.17	1.50	0.00
	不规则撞击坑	12.34	4.96	8.20
	直撞击坑	1.03	0.00	0.00
	裂纹	0.44	1.38	0.30
	擦痕	4.17	3.50	3.60
化学作用	硅质球	0.34	0.00	0.00
	硅质鳞片	0.00	0.00	0.40
	硅沉淀	1.39	9.08	0.00

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3 讨论

3.1　沉积物的理化特征

古尔班通古特沙漠蜂窝状沙丘表层沉积物的优势粒级为细沙，其次是中沙与极细沙，共计87.04%，与古尔班通古特沙漠研究结果（84.27%—100%）基本一致^［18］。这是受物质来源的影响，古尔班通古特沙漠发育于第四纪黏土与细沙层构成的古老冲积平原上，沙基质主要是中细沙^［46］。准噶尔盆地的西北方向风与蒙古-西伯利亚高气压下形成的东北方向风相遇形成北风^［16］，北风使得研究区东北部蜂窝状沙丘粗沙含量远高于东南部，平均粒径最大（1.77 Φ），分选性最差，而且研究区西部分选性最好，与古尔班通古特沙漠树枝状沙丘研究结果基本一致^［46］。风速从迎风坡坡脚到坡顶不断增大，坡顶细颗粒不断被吹蚀，粗颗粒累积，导致坡顶中沙、粗沙、极粗沙含量高于其他部位，从而形成平均粒径从迎风坡坡脚到坡顶增大的分布状况。沙漠植被主要分布在垄间和各坡坡中，坡顶基本无植被覆盖^{［18，29-30］}，这同样导致坡顶的粗颗粒含量较高，平均粒径最大，分选性最好。

古尔班通古特沙漠蜂窝状沙丘表层沉积物常量元素组成以SiO₂和Al₂O₃为主，SiO₂平均含量为63.63%，与同类研究结果一致^{［18，26］}。研究区东北部SiO₂含量最大，Al₂O₃含量最小与沙漠SiO₂含量中部高于南部、Al₂O₃南部最高一致^［16］。通过UCC标准化可知，研究区东北部SiO₂富集（1.04），其余9种元素亏损严重；西部除SiO₂外其余元素亏损最少；东南部SiO₂、P₂O₅与西部相同。同时，研究区西部微量元素含量高于东部，这是因为准噶尔盆地西北山前剥蚀区形成了冲积扇，西北风将洪积物搬运至古尔班通古特沙漠，并就地风化堆积^［47］。SiO₂含量从迎风坡坡脚到坡顶逐渐增加，与平均粒径变化趋势一致，与K₂O、CaO含量变化趋势相反。其余元素在迎风坡坡中含量较大，可能是受到了迎风坡坡中有较高植被覆盖度的影响^［18］。除SiO₂、MnO外，其余常量元素含量在背风坡增加，与平均粒径变化趋势相反。

3.2　沉积物反映的沉积环境

依据Sahu^［38］的线性多元判别方法对样品粒度参数进行计算，得出古尔班通古特沙漠蜂窝状沙丘表层沉积物的沉积有风成沉积、浅海沉积、河流沉积、浊流沉积4种，以风成沉积为主。由于其分类方式没有区分出湖泊沉积环境，因此有研究认为古尔班通古特沙漠浅海沉积环境与古近纪时期的内陆河流湖泊沉积环境有关^［32］。样品微形态特征以机械作用形成痕迹为主，蝶形坑和不规则撞击坑占比较大，是风成环境良好的标志特征；直撞击坑、V形坑和擦痕的出现，说明古尔班通古特沙漠蜂窝状沙丘沉积过程可能经历了流水与冰川作用；硅质球、硅质鳞片和硅沉淀特征的出现，说明其沉积过程还受到了化学作用的影响。

实验样品的CIA平均值为47.63，与上部陆壳48.04接近，说明古尔班通古特沙漠蜂窝状沙丘处于大陆风化的早期阶段，干旱的气候条件使得沙丘表层组成物质缺乏有效的化学风化，以强烈的物理风化为主。研究区西部CIA值小于东部，说明研究区西部化学风化程度最差。研究区东北部整体磨圆度较好，西部与东南部较差，可能与其粗颗粒含量较高有关，也可能与其经历了较强的化学作用有关；其风成机械特征面积占比最低，V形坑和直撞击坑面积占比较大，化学风化特征远高于西部与东南部，还存在一定的擦痕，说明研究区东北部石英沙经历的搬运过程最为复杂，包括了风成机械作用、流水作用、冰川作用以及较强的化学风化作用，以风成机械作用为主。

4 结论

古尔班通古特沙漠蜂窝状沙丘表层沉积物受物质来源影响，整体以细沙为主，其次是中沙和极细沙；分选性主要在分选较好到分选中等之间，偏度主要为近对称，峰度主要为中等。常量元素以SiO₂和Al₂O₃为主；通过UCC标准化可知，常量元素均产生了亏损，微量元素Co富集明显；CIA平均值为47.63。石英颗粒磨圆度适中；微形态特征标志以蝶形坑和不规则撞击坑为主。

区域角度上，研究区东北部粗沙含量远高于研究区西部与东南部，平均粒径最大，分选性最差；常量元素亏损最严重；磨圆度最好，风成机械特征面积占比最小，化学特征面积占比最大，存在擦痕；研究区西部样品化学风蚀指数CIA最小（47.38）。平均粒径从迎风坡坡脚到坡顶增大，在背风坡变小；坡顶分选性最好。SiO₂含量从迎风坡坡脚到坡顶增大，K₂O、CaO含量变化趋势与之相反；除SiO₂、MnO外，其余常量元素含量在背风坡增大。

古尔班通古特沙漠蜂窝状沙丘表层沉积物理化特征说明古尔班通古特沙漠处于大陆风化的早期阶段，沉积环境复杂，以风成沉积为主，干旱的气候条件使得沙丘表层组成物质缺乏有效的化学风化，以风成机械作用为主。研究区东北部沉积物搬运介质的平均动能较差，石英沙经历的搬运过程复杂；西部的化学风化状况最差。除迎风坡坡中外，沙丘各部位沉积环境无明显差异，基本保持一致。

参考文献

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文中引用次数倒序

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